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刘文君:为了国人喝上安全放心的饮用水

——记清华大学环境学院教授刘文君和他的紫外线水消毒技术

来源:清华新闻网  

实习记者:王冰冰

图为刘文君教授近照。

图为刘文君研究组自主研发、设计制造的我国第一套紫外线压载水处理设备,该套设备安装在中国远洋集团鹿特丹号远洋船上。

不久前甚嚣尘上的“含氯门”事件,再次牵动全社会的脉动,将饮用水安全问题又一次推上媒体关注和百姓舆论的风口浪尖;而“氯”这一通常只在化学教科书里才会看到的名词也重新活跃在日常生活的视野。谈起这两个概念,刘文君可是如数家珍,因为作为清华大学环境学院党委副书记、教授、清华大学饮用水安全研究所原所长的他,一直研究的方向正是饮用水安全技术与理论,近年来又着力于紫外线消毒技术的研究,被称为“紫外线水处理技术的中国拓荒者”。不久前刘文君获选担任国际紫外线协会亚洲和澳大利亚分部主任一职,为他个人和清华大学,乃至中国的饮用水安全研究领域和紫外线消毒技术赢得了荣誉。

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饮用水安全问题——为什么饮用水要消毒

“你可以选择喝什么样的牛奶,但你无法选择喝什么样的水。”

——刘文君

人们常说:你可以七天不吃饭,但不喝水三天就活不成。刘文君用最通俗的话讲起自己工作的重要性时说:你可以选择喝什么样的牛奶,但你无法选择喝什么样的水,可见在喝什么水的问题上你没的挑。水是保障人类生存和维系人体健康的重要元素,也是任何发达的现代科技所终究无法取代的宝贵生存资源。

1993年美国Wisconsin州的密尔沃基(Milwaukee)市爆发由隐孢子虫引发的水传染病,共使40.3万人致病,4000余人住院,112人死亡。2009年中国的内蒙古赤峰因为自来水污染而导致4322人住院。据世界卫生组织数据显示,每年有数百万人死于饮用水安全问题而导致的公共卫生事件,而其中由致病微生物感染的案例就占到80%以上。饮用水安全的重要性不言自明。

在2005年美国工程院评选的20世纪20个重大工程进展中,饮用水处理技术名列第4。20世纪作为人类科学技术进步最快的一百年,饮用水处理技术的应用无疑极大地改善了人体健康,使全世界的饮水安全得到了极大保护。  

然而,看似清澈纯净的水为什么必须经过杀菌消毒才能饮用呢?原因就在于暗藏其中的、能诱发疾病的各种微生物,也就是水中常见的病原微生物,它们种类繁多,包括:细菌类、病毒类、原虫和蠕虫类。小病菌却有大隐患,由其所导致的病症主要有:腹泻、呕吐、发热等,严重的可致肾衰竭和死亡。

那么,饮用水到底要经过如何处理才能安全使用?水的常规处理过程就是“老三样”即混凝、沉淀、过滤,然后再加氯消毒。通俗的讲,就是将水中的各种杂质通过加化学药剂变成大颗粒、沉淀而最终过滤出去,再加入氯进行杀菌消毒。由于致病微生物导致的流行病会立刻爆发,所以微生物安全性成为自来水处理的头号目标,世界卫生组织出版的饮用水标准中第一项就是对微生物的控制要求即消毒指标。

紫外线消毒技术——为什么要用紫外线消毒

“紫外线消毒的历史由来已久,生活常见的晒被子就是利用阳光中的紫外线消毒灭菌。”

——刘文君

进一步讲,饮用水要经过如何消毒才能安全饮用?

提及饮用水消毒方式,最基本和最传统的选择一直是氯。氯曾在过去的一百年中起到很大作用,但也存在重大缺陷。而紫外线作为新兴消毒方式,刚好可以利用自身优势克服氯的缺陷,尤其表现在抵制致病微生物和不产生消毒副产物方面。第一,在灭活治病微生物方面,紫外线具有良好的消毒效果,而氯对隐孢子虫却没有消毒效果。1993年美国发现的隐孢子虫,作为一种3-5微米的单细胞原生动物,其坚硬的外壳具有极强的抗氯性。第二,作为物理消毒方式,紫外线不产生消毒副产物,而氯则会产生。第三,在公共安全领域,紫外线不易引发安全隐患,而氯却极易引起泄漏。第四,氯氧化还会导致饮用水中微生物可生化有机物增加,导致管网水的生物稳定性下降,而紫外线则不存在此问题。此外,紫外线消毒的停留时间相对较短,也不受温度和pH值影响,而氯则需要较大的接触池进行消毒。正因以上优势,紫外线消毒技术自本世纪以来才得以在发达国家获得迅猛发展,并被国际水协列为21世纪最重要的3项新技术之一。

紫外线消毒的基本原理,就是对致病病原菌进行灭活,通过破坏其DNA,阻止其快速复制。我国现有的饮用水标准是每毫升水含100个以内细菌。尽管紫外线拥有诸多优势,但也不可避免地存在自身不足。最直接的缺陷就是紫外线消毒不具有持续性,因而在管道输送过程中还要保持有效的余氯。但氯的使用量已经得到大幅减少,并极大程度地降低了运输的安全性问题。

追溯紫外线消毒的发展历程,可谓源远流长。紫外线作为消毒方式被使用已有一百多年的历史,比如生活中常见的晒被子就是对阳光中的紫外线最简单广泛的应用。1999年,美国对紫外线杀灭隐孢子虫的发现,促使了紫外线研究的极大发展。同年,美国环保局开始对此领域进行专项研究和推动,并决定对紫外线相关的学术组织专门成立组织——国际紫外线协会。该协会的宗旨是推动紫外线技术在科学研究及工程应用上的发展,进而改善人类生活质量,保护自然环境安全。国际紫外线协会通过开展各类会议和项目,领导业内基础科学的发展,发布最新紫外线技术的应用。

十年间,紫外线技术发展迅速。据统计,2000年美国的大中型水厂还未使用紫外线消毒技术,而到2006年已经有10%的美国水厂应用此项技术,它是有史以来美国在自来水领域应用最为迅速的一项技术。由于自来水行业特殊,水质问题关乎每人每天的生活,因此新技术的应用也异常谨慎,而此项技术从评审到应用只用了短短5年时间,并在之后得到极大推广,就足见紫外线消毒技术的成熟。紫外线消毒已成为一种国际技术潮流。

而且,由于中国水质的特性,紫外线与余氯结合进行饮用水消毒具有更富特色和更具潜力的发展前景。

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起步国际的活跃者——学术起步,缘起海外

“中国很多技术都是跟在国外后面跑,但紫外线研究可能是个例外。”

——刘文君

谈起饮用水安全研究工作,刘文君就无比自豪,他觉得自己所从事的是个很崇高的职业。因为饮用水安全与百姓日常生活休戚相关、密不可分,是最重要的民生工程,但也是极易被忽视的职业,因为它又那么为人所熟视无睹、司空见惯。

由于饮用水安全日益突显的重要性,刘文君及其前辈、同仁所在的清华大学饮用水安全研究所,由原来分管给水和排水两部分的“老水所”分化独立而来。饮用水安全的课题在研究所一代代清华学人的传承下,秉承清华的学术品格和科研追求,不负国家寄望与社会重托,延续学脉、兴盛学科。刘文君的恩师王占生老师已年近八十,至今还活跃在其学术科研领域和应用发展前沿,为饮用水安全课题奋斗了整整一辈子。刘文君自嘲自己也为此奋斗了近半辈子。在此之前,还有很多清华老先生做出过不懈努力,比如环境学科的奠基人陶葆楷教授,已经95岁高龄的许保玖老先生等等。到刘文君这一代专注于饮用水安全课题的清华学人,所肩负的使命就是如何通过技术手段来改善水质。

刘文君对紫外线技术的研究,结缘自清华而起步于国外。1995年和1999年,刘文君在清华大学分获市政工程硕士学位和博士学位。随后四年,他先后赴新加坡国立大学、加拿大滑铁卢大学和美国伊利诺大学香槟分校(UIUC),从事博士后研究工作。刘文君最早接触紫外线的契机正是缘起于在国外做博士后期间。当时,他所参与的课题正是由美国环保局所支持的紫外线消毒技术,由此才使其有机会进入到紫外线研究前沿领域,而此前他主要专注于饮用水深度处理、消毒副产物和管网水质控制等领域,对紫外线技术则所知甚少。

2001年,刘文君出席了国际紫外线协会在华盛顿召开的第一届国际紫外线大会。紫外线研究在当时还是一门极具潜力的新兴技术,只有3名中国人参加大会,刘文君可以算作是国际紫外线协会的“老人”了。之后,刘文君依托做博士后研究的学术平台,凭借自己对学业事业的专注持恒和充沛热情,积极活跃在国际紫外线领域,成为其中屈指可数的华人面孔。

刘文君曾在2008年中国紫外线消毒标准化技术委员会成立大会上说:中国很多技术都是跟在国外后面跑,去追赶人家,但紫外线研究可能是个例外。因为它是新兴技术,即使在国外也是刚刚发展起来,中国很有可能和国外齐头并进,甚至领先于国外。这无意中正道出了刘文君学成归国、学以报国的真正目的。

领跑国内的先行者——推广应用,崭露头角

解决中国的科研问题要有“国际视野,中国问题,科学方法,创新思维”。

——刘文君

中国紫外线消毒研究项目的最初发端,受益于刘文君获得全国百篇优秀论文之机。之后,刘文君及其所在清华团队通过大量宣传、推广应用,不懈努力,使紫外线在科研和应用领域都得以蓬勃蓄势和大幅发展。

2001年,刘文君的论文获评全国优秀博士论文,他是这个专业第一个获此殊荣者,也是国内此领域的第一个研究者。由此,他开创了一门全新学科——饮用水生物稳定性,并获全国学术界和供水行业的广泛认可。时至今日,大部分自来水厂都高度重视管网水质生物稳定性的控制。

回首起初,正值2003年“非典”特殊时期,刘文君海外学成归国,并通过人才引进计划入职清华。甫一返校的刘文君,就参加了恰逢其时举行的建设部消毒工作重要会议,并在会上进行了主旨报告。由于“非典”时期使用的消毒剂量普遍较大,与会领导格外重视消毒副产物等相关问题,而由刘文君这样三十出头的年轻人来主讲这一重要问题,许多参会者刚开始还微抱怀疑之态。这种感受刘文君并不陌生,他清晰记得在1997年美国专家来华进行学术会议时,谈及隐孢子虫一词,当时在场华人只有刘文君一人知晓该词的含义。刘文君关于消毒技术发展趋势的主旨报告结束后,刘文君获得了参会者的一致认可,与会领导也深受感染,报告还被评为一等奖。由此,在紫外线消毒领域,刘文君声名鹊起、实至名归。

但光有一技之长和一腔热情还远远不够,刘文君在国内的紫外线消毒技术应用和推广上遇到了两大障碍。首先是技术性障碍:虽然刘文君一直致力于此领域研究,但以前主要研究生物的预处理和深度处理技术,用生物的办法去除水中的有机物,改善水质。而紫外线是全新的技术,国内当时对紫外线技术的认识很少,连基本概念也要跟同行解释半天,研究所用的测试手段,设备和测试微生物国内都没有。刘文君自己动手,根据国际规范设计试验装置,从国外购买试验材料和检测仪器,同时加强跟国外同行的交流。较快建立的规范的试验系统,达到国际先进水平。另外我国水质与国外差异较大,处理工艺落后,自来水的管道输送输送路径和时间都相对较长,比如一些大城市的自来水输送,从水厂到用户最短几小时,最长却可能要一周时间,在此过程中自来水可能发生生物化学反应,导致微生物生长(我们就常常在酒店等的水龙头处看到有不能直饮的提示,而在国外往往都是可以直饮的)。因此对紫外线技术的应用与国外存在较大的技术差异,需要将理论研究和实际应用结合才能解决。

另外,还有非技术性障碍:主要是需要针对国内对消毒认识不足的现状,进行宣传推广。刘文君以为,首先,既然自己的专业是直接面向应用的,那么就要获得政府、行业和用户理解,才能得到推广应用。刘文君和他的清华团队通过组织会议、进行报告等方式对紫外线消毒技术开展教育宣传。在其大力宣传和推动下,形势大变,以前刘文君要向人讲解的是“紫外线是什么”,后来要讲的话题大为深入,已演变为紫外线的核心技术问题,由此也带动和产生了一批紫外线消毒行业的专家和学者。其次,中国目前对消毒问题的认识也还远远不够,仍未完全从对“有没有水喝”转移到对“喝什么水”的关注层面。刘文君还曾特意撰写论文强调消毒的重要性,对受污染水质的长期危害等话题进行探讨。刘文君及其团队是走在这个领域前列的人,领跑者通常会比较孤独,从开始不被大家理解,到逐渐被大家认可,从原创性和领先性成果最初难以得到更多支持,到苦口婆心向人讲解,刘文君顶住外在压力和内心挣扎,不辍奔跑,不断前行。

正是由于刘文君及其所带领的清华团队对紫外线技术的优缺点进行客观评价和积极推广,才赢得了用户和企业的极大信任,更进一步促使了紫外线技术的应用和推广。在刘文君等人的努力下,紫外线终于从之前的曲高和寡变成了现在的应者如云。刘文君坦言,清华总体的科学氛围很好,中国的整体环境也在逐渐完善的过程中。有幸生活在这个时代是幸运的,回报国家对科研的重视正需要科研人员自身做出更好的工作。

刘文君及其团队在紫外线消毒研究的探索从排水系统发轫。中国的污水处理率向来较低,在2002年出台了新的污水处理排放标准后,紫外线凭借简单安全、使用方便的优势从而在污水处理领域得到广泛应用。刘文君及其团队积极组织国内外学术会议,邀请国外专家进行学术报告,并于国际著名专业公司进行合作。因而,从2003年后紫外线技术在国内得到极大推动,应用紫外线处理技术的水厂在污水厂中所占份额逐年增大,现在已占到一半以上,同时也培育了福建新大陆、北京安丽斯、深圳海川等大批企业,并促进了企业的健康发展。

随后,他们将紫外线消毒研究的探索步伐踏入给水系统。给水相较于排水而言,其消毒要求要更为严格,因为如有不慎将会直接危及人体健康和生存。从2005年开始,刘文君便开始根据国内情况和国际规范,对自来水消毒进行研究。在广东东莞市政府的支持下,刘文君与其清华团队作为科研单位,与其他设计单位和企业共同完成的紫外线项目,自“十五”末期发轫运行至今,是国内第一个中试规模的饮用水紫外线消毒工程。这个项目的最终成果就是于2008年在天津投入使用的天津泰达自来水紫外线消毒工程,这是由他主导完成的国内第一个大型市政自来水紫外线消毒工程,还从巴黎捧得了国际紫外线协会2010年最佳工程奖。由于国外奖项无需申报,因而从提名到获奖,刘文君一直一无所知,直到这个国际大奖颁奖的一刻。事后了解到当时,有不同国家的12个候选项目参与评选,竞争十分激烈。现在,天津泰达的二期三期都仍在继续沿用此项技术。

由刘文君及其团队研发的基于紫外线消毒技术的远洋船舶压载水处理系统,是国内第一套通过国际海事组织和国家海事局认证的压载水处理系统,目前正处于产业化阶段,该系统为我国作为造船和远洋航运大国履行国际海事组织关于压载水管理相关国际公约提供了技术保障,具有重要战略意义。

上海临江水厂的紫外线消毒项目,作为刘文君负责的“十一五”水专项研究子课题,建成后主要服务于世博会,已被列为“十一五”国家重大专项的标志性成果。 “十一五”重大水专项中,饮用水作为六个主题之一,其五项标志性成果中刘文君负责的就有两项,包括微膨胀上向流臭氧活性炭技术(应用于济南市鹊华水厂,十一五水专项示范工程)和上海临江水厂紫外线消毒工程。目前,北京的郭公庄水厂和第十水厂也都决定采用紫外线消毒技术。

由于刘文君出色的科研能力、丰硕的工程经验以及热心的服务意识,2005年他毫无悬念地当选国际紫外线协会的常务理事。随着紫外线技术的飞速发展,和中国成为世界新一经济增长点的现状,并鉴于日本、韩国、新加坡等国的发展态势,原本只设有美洲和欧洲分部的国际紫外线协会决定成立亚洲和澳大利亚分部,并任命刘文君为亚洲和澳大利亚分部主任,从2012年3月1日开始履职,。就职后,按照严格的国际规定,刘文君从原来的常务理事一职上退出,专任主任事务,既要负责和亚洲、澳大利亚等其他国家的协调和联络,又要组织本地区的学术交流和推广,刘文君更加忙碌。

2012年7月1日国家将全面实施新的饮用水水质标准,全面升级的新国标将对供水水质和饮用水安全提出更高要求。新国标的制定和实施就有许多默默无闻清华人密切参与和积极推动。身兼多职的刘文君,深受服务社会的清华传统感染,在我国供水行业有重大需求时总能看到他的身影。

刘文君说:服务社会是科研的重要归宿,又能在社会需求中找准科研点。对于科研想法,刘文君有十六个字的归纳:国际视野,中国问题,科学方法,创新思维。他以自身工作为例,参加国际组织就要有国际视野,了解国内行情才能解决中国自己的问题,在研究中采用科学方法,又要强调创新思维。对于清华大学第13次党代会上胡和平书记的一段话他深为叹服:中国的问题就是世界的问题,解决了中国的问题就代表了世界的最高水平。刘文君正在用切实行动,向自己的理想迈进。

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